【正文】 解 P32圖二 第三步：功能元求解 P32表 第四 步：功能元組合 P33圖 解的方案數(shù)： N=8 6 6 3 7=6048種 第五步：評(píng)價(jià)與決策 P33表 一、結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的任務(wù)和原則 1. 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的任務(wù)及重要性 （ 1） 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的任務(wù)： 是將原理方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化，即繪制結(jié)構(gòu)總圖。 2. 相容性： 兩種功能或結(jié)構(gòu) 比較后的可行性分析結(jié)果。 1. 形態(tài)矩陣法（模幅箱法）： 把每個(gè)（系統(tǒng)的）功能元和所對(duì)應(yīng)的各解分別作為縱、橫坐標(biāo)，列出“功能求解矩陣”，然后從每個(gè)功能元中取一個(gè)對(duì)應(yīng)解進(jìn)行組合，以構(gòu)成系統(tǒng)解的方法。 【例 】材料拉伸試驗(yàn)機(jī)的功能結(jié)構(gòu)圖 P23圖 《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 電子教案 段鐵群 教授 6 五、功能元（分功能）求解 功能元是功能結(jié)構(gòu)圖中最基本的單位，每個(gè)功能元都要找出相應(yīng)的技術(shù)、物理效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。 P21表 （ 3） 邏輯功能元： 主要用信息和控制系統(tǒng)中。 （ 3） 擺脫具體的設(shè)計(jì)對(duì)象。（摒棄附加功能和非必要功能）。 三、功能原理設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法－－“黑箱法” “黑箱法”是根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系來研究實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能目標(biāo)的一種方法，即根據(jù)系統(tǒng)的某種輸入及要求獲得某種輸出的功能要求，從中尋找出某種物理效應(yīng)或原理來實(shí)現(xiàn)輸入－輸出之間的轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的解決辦法，從而推求出“黑箱”的功能結(jié)構(gòu)，使“黑箱”逐漸變成“灰 箱”、“白箱”的一種方法。比較后擇優(yōu)。 2. 功能的分類： 基本功能 必要功能 功能 附加功能 非必要功能 二、功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn) 1. 功能原理設(shè)計(jì)： 是針對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思。 總體設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)性能，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，外觀造型等具有決定性意義。 （ 1） 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的特征 1） 時(shí)域特征 2） 哲理特征 3） 質(zhì)量特征 4） 目標(biāo)與手段特征 （ 2） 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的主要內(nèi)容 《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 電子教案 段鐵群 教授 3 信息方法、系統(tǒng)論方法、控制論方法、優(yōu)化方法、對(duì)應(yīng)論方法、智能論方法、壽命論方法、離散論方法、模糊論方法、突變論方法、藝術(shù)論方法等。 4. 系統(tǒng)應(yīng)具有下述特性： （ 1） 目的性：完成特定的功能 （ 2） 相關(guān)性與整體性： 1） 相關(guān)性：各構(gòu)成要素之間是相互聯(lián)系的 2） 整體性：評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)的好與壞要看該系統(tǒng)的整體功能 （ 3） 環(huán)境的適應(yīng)性：系統(tǒng)對(duì)外部環(huán)境變化和干擾有良好適應(yīng)性 三、機(jī)械系統(tǒng)的組成： P4圖 1. 動(dòng)力系統(tǒng)：為系統(tǒng)提供能源（動(dòng)力源） 2. 執(zhí)行系統(tǒng)：是系統(tǒng)的執(zhí)行輸出部分 3. 傳動(dòng)系統(tǒng)：把運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力由動(dòng)源傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié) 4. 操縱、控制系統(tǒng)：使前三者協(xié)調(diào)動(dòng)作和運(yùn)行 5. 支承系統(tǒng)：支承和聯(lián)系各機(jī)件 6. 潤(rùn)滑、冷卻與密封系統(tǒng)： 《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 電子教案 段鐵群 教授 2 四、機(jī)械系統(tǒng)的地位與作用 幾乎任何產(chǎn)品都離不開機(jī)械系統(tǒng)，它涉及到社會(huì)的各 領(lǐng)域。 3. 機(jī)械學(xué)所包含的內(nèi)容： P3圖 二、機(jī)械、機(jī)械系統(tǒng)、系統(tǒng) 1. 機(jī)械：關(guān)于機(jī)械的定義，目前尚無嚴(yán)格的定論，一般可歸納為： （ 1） 須由兩個(gè)以上的零、部件組成； （ 2） 這些零、部件的運(yùn)動(dòng)部件，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求作確定的運(yùn)動(dòng)； （ 3） 將外來的能源轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫臋C(jī)械功。 難點(diǎn) ：學(xué)習(xí)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的重要性。 講授提示與方法 ：回顧機(jī)械工程的發(fā)展歷程，注重機(jī)械系統(tǒng)的整體性，提高學(xué)生對(duì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的認(rèn)知程度。 【 舉例 】 機(jī)械產(chǎn)品：汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床、鐘表?? 2. 系統(tǒng)：是指具有特定功能的、相互間具有一定聯(lián)系的許多要素構(gòu)成的一個(gè)整體。 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)、基本原則及要求 一、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)及設(shè)計(jì)類型： 1. 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)： 是開發(fā)新的產(chǎn)品和改造老產(chǎn)品。 3. 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的比較 二、機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展簡(jiǎn)史 1. 直覺設(shè)計(jì)階段 2. 經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)階段 3. 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段（定性設(shè)計(jì)階段） 4. 現(xiàn)代設(shè)計(jì)階段（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)階段） P14 圖 三、發(fā)展方向及前沿技術(shù) 1. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 2. 并行工程設(shè)計(jì) 3. 虛擬設(shè)計(jì) 4. 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì) 5. 快速設(shè)計(jì) 6. 設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù) 7. 工業(yè)設(shè)計(jì) [作業(yè) 題 與 思考題 ] 1. 什么是機(jī)械工程科學(xué)？它由那幾個(gè)部分 組成？ 2. 機(jī)械的基本特征有哪些？ 3. 什么叫機(jī)械系統(tǒng)？它有哪些主要組成部分？ 4. 什么是系統(tǒng)？它有哪些特征？ 5. 機(jī)械系統(tǒng)有哪些種設(shè)計(jì)類型？ 6. 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)有哪些基本設(shè)計(jì)原則和法規(guī)？ 7. 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足哪些設(shè)計(jì)要求？ 8. 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法有哪些區(qū)別？ 9. 機(jī)械設(shè)計(jì)可以分為哪幾個(gè)發(fā)展階段？ 《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 電子教案 段鐵群 教授 4 第二章 機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 重點(diǎn) ： 功能原理設(shè)計(jì)的基本概念 ，主要設(shè)計(jì)參數(shù)及其確定方法。 內(nèi)容包括：功能原理設(shè)計(jì)、總體布局、主要技術(shù)參數(shù)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。 【例 】剪草機(jī) P17圖 【例 】平板玻璃制造 P17圖 2. 功能原理方案設(shè)計(jì)的任務(wù)： 針對(duì)某一確定的功能要求，去尋求一些物理效應(yīng)并借助某些作用原理來求得一些實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的解法原理。 4. 工作步驟： P18圖 分析 綜合 評(píng)價(jià)決策 5. 功能原理設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)： （ 1） 功 能原理設(shè)計(jì)是用一種新的物理效應(yīng)來代替舊的物理效應(yīng)，使所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作原理發(fā)生根本變化。 1. “黑箱法”原理： P19圖 用“黑箱法”與輸入量、輸出量及周圍環(huán)境的信息聯(lián)系。 （ 2） 輸入、輸出量的內(nèi)容： 1） 物料流：材料、毛坯、半成品、成品、液體、氣體等。（按系統(tǒng)功能和三大流的描述來簡(jiǎn)化問題） 【例圖】自行車功能原理系統(tǒng)圖 P18圖 【例圖 】車床“黑箱”示意圖 P19圖 四、功能元、功能結(jié)構(gòu) 1. 功能元： 只能直接從技術(shù)效應(yīng)（物理效應(yīng)、 數(shù) 學(xué)效應(yīng)等）及邏輯關(guān)系中找到可以滿足功能要求的最小單位。 P21表 2. 功能結(jié)構(gòu)： P22圖 功能的分解和組合關(guān)系稱為功能結(jié)構(gòu)。 功能元的求解方法： 1. 參考有關(guān)資料、?？虍a(chǎn)品求解法（利用所學(xué)知識(shí)類比）； 2. 利用各種創(chuàng)造性方法以開闊思想去探討求解法 （新構(gòu)思）； 3. 利用設(shè)計(jì)目錄求解法（把各種機(jī)構(gòu)綜合成表） P24~25圖 、 1 13 【例 】設(shè)計(jì)手動(dòng)訂書打孔機(jī) 設(shè)計(jì)要求：手柄旋轉(zhuǎn)、打孔針直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)、桿件數(shù)目為 4個(gè)、省力。 【例 】試設(shè)計(jì)露天礦開采挖掘機(jī)的原理方案 求解步驟： 第一步：總功能轉(zhuǎn)換關(guān)系 —— “黑箱法” P26圖 第二步：總功能分解 （ 1） 分解依據(jù) P27圖 （ 2） 總功能分解 P27圖 第三步：建立功能結(jié)構(gòu)圖 P28圖 （ 1） 輸入、輸出關(guān)系 （ 2） 建立一級(jí)功能結(jié)構(gòu)圖 （ 3） 建立二級(jí)功能結(jié)構(gòu)圖 第四步：尋找原理解和原理解組合 P28表 組合方案數(shù) = 4344213233 ????????? =10368 方案 1為履帶式正鏟機(jī)械挖掘機(jī) (A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1) 方案 2為輪胎式正鏟液壓挖掘機(jī) (A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2) 根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)功率的要求可知，在能量傳遞與分配過程中，采用鏈傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)是不相容的，應(yīng)去掉。 （ 1） 相容性矩陣 P29表 （ 2） 選擇表 P30表 、 《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 電子教案 段鐵群 教授 7 七、功能原理設(shè)計(jì)舉例 【例 】瓶蓋整列裝置的原理方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求：把一堆不規(guī)則放置的瓶蓋整列成口朝上的位置逐個(gè)輸出。 （ 2） 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的重要性： 滿足功能要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，降低產(chǎn)品成本等?！傲俊钡脑O(shè)計(jì) 則指選擇材料、確定尺寸和零部件進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)等。 （ 3） 安全可靠原則：包括構(gòu)件的可靠性、功能的可靠性、工作安全性和環(huán)境安全性。 三、總體布置設(shè)計(jì) 就是確定機(jī)械系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的相對(duì)位置關(guān)系及相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，使總系統(tǒng)具有一個(gè)協(xié)調(diào)完善的造型。設(shè)加工一個(gè)工件或裝備一個(gè)組件所需的循環(huán)時(shí)間為 《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 電子教案 段鐵群 教授 9 fg ttT ?? 式中 ： T—— 機(jī)械系統(tǒng)的一個(gè)工作循環(huán)時(shí)間或稱工作周期時(shí)間，常用單位有小時(shí)、分鐘等； gt －－工作時(shí)間； ft －－輔助工作時(shí)間。 【例 】確定顎式破碎機(jī)鉗角 ? P41圖 3. 運(yùn)動(dòng)參數(shù)： （ 1） 最高、最低轉(zhuǎn)速： 1） 最高轉(zhuǎn)速： m in)/r(d v1000n m inm a xm a x ?? ?? 2） 最低轉(zhuǎn)速： m in)/r(d v1000n m a xm inm in ?? ?? 3） 變速范圍：minmaxn nnR ? 【例 】 P42表 （ 2） 轉(zhuǎn)速數(shù)列： 1n ， 2n ， 3n ??， jn ， 1jn? ，??， Zn （按等比數(shù)列分級(jí)） 1） 轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) Z 2） 公比值 :jjnn 1??? ??????????????????????? m a x1Z11ZZ212312m in1nnnnnnnnnnn? 則變速范圍： 1Z11Z1m inm a xn nnnnR ?? ????? 《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 電子教案 段鐵群 教授 10 3） 轉(zhuǎn)速損失率： jnn? a. 相對(duì)轉(zhuǎn)速損失率：nnnA j?? b. 最大相對(duì)轉(zhuǎn)速損失率： 1jj1jj1jjnnm a x nn1n nnn nnl i mA1j ???? ??????? %100)11(A m a x ???? 【例 】 （ 3） 標(biāo)準(zhǔn)公比和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列： 轉(zhuǎn)速是由小到大遞增的，所以 ? 應(yīng)大于 1，并規(guī)定最大相對(duì)轉(zhuǎn)速損失率不超過 50%，則相應(yīng)公比 ? 不應(yīng)大于 2，故 1? ? 2。 2） 有些小型機(jī)械系統(tǒng)希望簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，此時(shí)公比 ? 可取得大些，如? = ? =2等。 P53圖 、圖 3. 合理力流原理： （ 1） 力傳遞特點(diǎn)：力流不會(huì)中斷，力線不會(huì)消失，從一處傳入從另一處傳 《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 電子教案 段鐵群 教授 11 出。如人字齒輪的使用。 （ 2） 包裝材料 采用厚度為 金色鋁箔卷筒紙。 16. 某機(jī)械設(shè)備， minn =45r/min， ? =， Z=12，求： nR ， maxn 及列出它的轉(zhuǎn)速數(shù)列。 傳動(dòng)鏈： 動(dòng)源 +傳動(dòng)件 +執(zhí)行系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng) +傳動(dòng)件 +執(zhí)行系統(tǒng) 1. 外聯(lián)傳動(dòng)鏈：傳動(dòng)鏈兩端件之間無嚴(yán)格的傳動(dòng)比要求的傳動(dòng)鏈。 傳動(dòng)系統(tǒng)的類型和組成 一、傳動(dòng)系統(tǒng)的類型及其應(yīng)用 1. 按動(dòng)源分： （ 1） 電動(dòng)機(jī) （ 2） 液壓驅(qū)動(dòng) （ 3） 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) （ 4） 內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng) 2. 按執(zhí)行件的被驅(qū)動(dòng)數(shù)目分： （ 1） 獨(dú)立驅(qū)動(dòng) （ 2） 集中驅(qū)動(dòng) （ 3） 聯(lián)合驅(qū)動(dòng) 3. 按傳動(dòng)裝置的類型分： （ 1） 機(jī)械式 （ 2） 液壓式 （ 3） 氣動(dòng)式 （ 4） 電氣式 （ 5） 組合式 4. 按變速的形式分： （ 1） 無級(jí)變速 （ 2） 有級(jí)變速 （ 3） 定比傳動(dòng) （一） 無級(jí)變速和有級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng) 1. 無級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng) 是指執(zhí)行件的轉(zhuǎn)速（或速度）能在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的傳動(dòng)系統(tǒng)。存在轉(zhuǎn)速損失（磨擦中的彈性滑動(dòng)